（机械电子工程专业论文）直线加速器高功率同轴负载吸波材料fesial的研究.pdf

摘要 摘要 同轴负载是一种新型的直线加速器吸收负载，微波吸收材料是s 波段高功 率同轴负载( 1 0 k w ) 研发中至关重要的一部分。同轴负载的工作环境及功率 需求要求吸波材料具有高吸波能力、低真空放气率、良好的导热性及可加工性， 并与基底有较强结合力。经过调研，本课题选取了一种f e s i a i 合金，并开展了 对其涂层结构、真空性质、热学性质及电磁学特性的研究，为后续的高功率同 轴负载的研制奠定基础。 本课题利用s e m 观察f e s i a l 涂层的微观形貌，利用x r d 分析了其相组成， 并进行了孔隙率和密度研究以及真空放气率的测量。考虑腔体冷却系统设计及 涂层的温度热应力分析，实验测量了f e s i a i 材料的热学参数如热膨胀系数、比 热容和导热系数等。f e s i a l 涂层热膨胀系数测量结果表明，其与铜基体具有可 比性，可认为涂层不会因过大热应力而剥落。两组导热系数结果的对比不仅证 明了导热系数测量的准确性，同时验证了其计算中间量比热容及密度测试的可 靠性。 为获得2 8 5 6m h z 时f e s i a i 的介电常数和磁导率，本文基于同轴传输反射 法，利用矢量网络分析仪，开展了材料电磁参数的测试研究，同时利用电磁场 分析软件c s tm i c r o w a v es t u d i o 进行了测试仿真。理论分析及c s t 仿真结果表 明，试验中加工样品与测试夹具之间的间隙对电磁参数的测量值有较大影响。 为消除空气隙的影响，制作了不同配比的f e s i a i 微粉和固体石蜡的混合样品， 并获得了混合样品的稳定测试值，进而运用混合媒质等效公式求解出了f e s i a l 微粉本体的电磁参数。同时，混合媒质等效公式的适用性研究表明，b r u g g e m a n 、 l o o y e n g a 、q c a c p 公式适用于描述该f e s i a i 微粉的电磁特性。 关键词：同轴负载f e s i a i 物性测试热学参数电磁参数传输反射法空气隙 混合媒质等效公式 a b s t r a c t a b s t r a c t c o l l i n e a rl o a di san o v e lr e m n a n tp o w e rl o a df o rl i n e a ra c c e l e r a t o r s m i c r o w a v e - a b s o r b i n gm a t e r i a li sa ne s s e n t i a lp a r ti ns - b a n dh i g hp o w e r ( lo k w ) c o l l i n e a rl o a dr & d a c c o r d i n gt ot h ep o w e rl e v e la n do p e r a t i o nc o n d i t i o n so ft h e c o l l i n e a rl o a d ，t h em a t e r i a li se x p e c t e dt oh a v eh i g hm i c r o w a v ed i s s i p a t i n gc a p a b i l i t y , l o wo u t g a s s i n gr a t e ，g o o dt h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dp r o c e s s a b i l i t y , m e a n w h i l et h e b o n d i n gf o r c et ot h es u b s t r a t ei s s u f f i c i e n t ak i n do f f e s i a ia l l o yi ss e l e c t e da st h e c o a t i n gm a t e r i a lt h r o u g he l a b o r a t i v ei n v e s t i g a t i o n s t h er e s e a r c h e so ft h ec o a t i n g m i c r o s c o p i cs t r u c t u r e ，v a c u u mq u a l i t y ，t h e r m a lp r o p e r t i e s a n de l e c t r o m a g n e t i c c h a r a c t e r i s t i c sa r ec a r r i e do u ta f t e r w a r d s ，l a y i n gas o l i df o u n d a t i o nf o rs u b s e q u e n t h i g hp o w e rc o l l i n e a rl o a dr & d t h em i c r o s c o p i ca p p e a r a n c eo ft h ef e s i a ic o a t i n gi so b s e r v e db ys e m ，a n dt h e p h a s ec o m p o s i t i o ni sa n a l y z e db yx r d t h ep o r o s i t y , d e n s i t ya n do u t g a s s i n gr a t e a r ea l s ot e s t e d t h e r m a lp r o p e r t i e so ft h ef e s i a ! l i k et h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t ， s p e c i f i ch e a tc a p a c i t ya n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t y a r em e a s u r e d ，c o n s i d e r i n gt h e c o o l i n gs y s t e md e s i g no ft h ec a v i t ya n dt h e r m a ls t r e s sa n a l y s i so f t h ec o a t i n g s t h e t h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n tr e s u l t sr e v e a lt ob ec o m p a r a b l ew i t ht h a to ft h ec o p p e r s u b s t r a t e ，t h u sh i g h e rt h e r m a ls t r e s sc o u l dn o te m e r g et oc a u s ec o a t i n gf l a k i n go f f t h ec o m p a r i s o no ft h et w os e t so ft h e r m a lc o n d u c t i v i t ye x p e r i m e n t sn o to n l y a p p r o v e st h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yo ft h et h e r m a lc o n d u c t i v i t y , b u ta l s ov a l i d a t e s t h ei n t e r m e d i a t eq u a n t i t yt e s t so ft h ed e n s i t ya n ds p e c i f i ch e a tc a p a c i t y i no r d e rt oo b t a i nt h ed i e l e c t r i cc o n s t a n ta n dp e r m e a b i l i t yo ft h ef e s i a ia t2 8 5 6 m h z t h ec o a x i a lt r a n s l a t i o n r e f l e c t i o nm e t h o di sa d o p t e dt oi n v e s t i g a t et h e e l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e r st a k i n ga d v a n t a g eo f t h ev n a ( v e c t o rn e t w o r ka n a l y z e r ) ， a tt h es a m et i m e c s tm i c r o w a v es t u d i oi su t i l i z e dt op e r f o r mt e s ts i m u l a t i o n s t h e o r ya n a l y s i sa n dc s ts i m u l a t i o n sb o t hi n d i c a t et h a tt h eg a p sb e t w e e nt h et e s t s a m p l e sa n dt h e f i x t u r ew o u l di n f l u e n c et h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss e r i o u s l y t o e l i m i n a t et h ea i r - g a pe f f e c t ，s a m p l e so ft h ef e s i a ! p o w d e rm i x e dw i t hp a r a f f i na r e m o l d e dw i t hd i f f e r e n tp e r c e n t a g e s ，a n ds u b s e q u e n tt e s t sg a i ns t a b l er e s u l t s t h e e l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e r s o ft h ef e s i a ia r ee x t r a c t e d f i n a l l yt h r o u g ht h e e q u i v a l e n tf o r m u l a so fm i x e dm e d i u m r e s e a r c h e sd e m o n s t r a t et h a tt h ee q u i v a l e n t f o r m u l a so fb r u g g e m a n ，l o o y e n g aa n dq c a c pa r em o r es u i t a b l ef o rt h ec a s eo ft h e i i i a b s t r a c t f e s i a ip o w d e r k e yw o r d s ：c o l l i n e a rl o a d ；f e s i a i ；p h y s i c a lp r o p e r t yi n v e s t i g a t i o n ；t h e r m a l p r o p e r t i e s ；e l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e r s ；t r a n s l a t i o n r e f l e c t i o nm e t h o d ； a i rg a p ；e q u i v a l e n tf o r m u l a so fm i x e dm e d i u m i v 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作 了明确的说明。 作者签名：签字日期： 衅 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中 国学位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 u ? 臼公开口保密( 年) 作者签名： 签字日期： 卑 衅 导师答名：、姻幕导师签名： 1 生三型e 签字日期：逸l 皇：鱼! ! 呈 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1同轴负载吸波材料在电子直线加速器中的应用和意义 电子直线加速器不仅是核物理研究的重要工具【l 】，而且在工业辐照、食品 灭菌保鲜、医疗治癌、材料改性及其制备、大金属构件无损探伤等领域得到广 泛。电子直线加速器以直线形式加速电子一种加速器类型，它与静电加速器和 直线电子感应加速器的不同主要在于采用的射频场加速电子。电子直线加速器 有两种形式：驻波型和行波型。本文涉及到的是行波电子直线加速器。行波电 子直线加速器，电子处于行波场中，不断受到行波场的加速，能量逐渐增加。 能量和束流强度是衡量一种加速器性能的重要指标。电子直线加速器的加速结 构无论是s 波段，还是x 波段，都是由若干段加速管组成。为了使加速器安全 运行，必须将加速管末端的剩余功率吸收掉，自上世纪五十年代初电子直线加 速器问世以来，为了吸收行波加速结构的剩余功率，剩余高功率微波吸收负载已 成为行波电子直线加速器的关键部件之一。 国内外已研制出各种类型的吸收负载，如水吸收负载 2 1 1 3 】，不同结构的干 吸收负载等。由于水负载存在安全性不足的问题，一旦水管破裂，后果将不堪 设想。因此，更多的直线加速器采用干吸收负载 4 1 1 5 1 来吸收剩余微波功率。干 负载的工作机理均是通过输出耦合器将直线加速器中的剩余微波功率输出到外 加的波导型吸收负载吸收转化为热，再利用风冷或水冷带走。这类波导型干负 载在高功率下很难在真空环境中使用，因此需在加速管输出耦合器后连接能承 受高功率的陶瓷窗并在吸收负载波导内充适当压力的绝缘气体。这些结构使加 速器整体结构复杂、成本昂贵。这种采用波导型干负载吸收剩余微波功率的方 法虽然在加速器界被广泛采用，但是始终存在着两个主要的缺陷：一是使加速 器的结构复杂，不紧凑，特别是使聚焦线圈的装卸极为困难，成为加速器小型 化的瓶颈。二是在每一个输出耦合器处的电磁场不对称，对高束流品质要求的 加速器来说不利。而“同轴负载”却能很好地解决这两个问题，“同轴负载”就 是将加速腔与吸收负载合二而一，在加速管尾端增加几个加速腔，并在加速腔 内涂敷吸波材料，这样不仅吸收了剩余微波功率，而且由于吸收负载与加速管 同轴，就避免了场的不对称，提高了束流的品质。由于同轴负载是加速管腔体 的延续，就不再需要进行匹配的输出耦合器和波导型吸收负载，也就是说，同 轴负载取代输出耦合器和波导型干负载，不仅结构简单，而且减小了聚焦线圈 第1 章绪论 的尺寸和方便了聚焦线圈、冷却管道等部件的安装。因此，若能成功研制大功 率同轴负载，辐照、杀菌、医用消毒加速器的小型化、机动性就能成为可能。 迄今为止，同轴负载用于吸收5 k w 以下剩余功率已获得成功，而要获得大 功率同轴负载，必需攻克适用于高真空环境的大功率微波吸收材料这一关键课 题。 国内外相关实验室都在研究和制备具有高真空性能的吸收高次模( h o m ) 微波吸收材料。如国内的中国科大国家同步辐射实验室 6 】，高能物理研究所 7 】， 国外的美国康奈尔大学 8 】，布鲁克海汶国家实验室( b n l ) 9 】，日本的高能加 速器机构k e k f l 0 11 1 等。 与大功率波导型干负载和h o m 吸收负载相比较，本课题所要研究的大功 率同轴负载虽然同样要求有好的微波吸收性能、高的热阻、可加工性及与基体 的强结合力。但是，大功率波导型干负载可工作在非超高真空环境下( 充气环 境) ，并不要求有好的真空性能，它是通过输出耦合器同加速管匹配的。而同轴 负载是直接接在加速管末端，需要工作在超高真空环境下。h o m 吸收负载虽然 工作在超高真空下，但是它们吸收的是高次模，其吸收的微波功率不高。而本 课题要研究的同轴负载吸收的是基模，吸收的微波功率大( - - 2 0 k w ) 。也就是 说，本课题研究的微波吸收负载既要工作在超高真空下，又要能吸收高的微波 功率。这正是课题研究的关键和难点之所在，也是研究的必要性所在。 总之，同轴负载对吸波材料的基本要求是： 1 在一定带宽内，具有足够大的比衰减量，这是衰减材料最重要的性 能之一。 2 具有良好的真空性和工艺可塑性 3 能承受足够大的功率，在此功率下，衰减材料的基本性能( 包括衰 减量、真空性能等) 应该不受损害。为保证这一点，材料中低熔点物质、 易挥发的物质应尽可能少，而气孔率应尽可能低。 4 高温和化学稳定性较好，保证该材料能经焊接工艺过程而性能不变 5 一定的机械强度，以保证在使用过程中不受损坏， 6 材料制备时希望工艺简单、易于控制、重复性好、成品率高。 1 2 微波吸收材料研究现状 材料的损耗机制可分为三类【1 2 】：一类是电阻型损耗，与材料的电导率有 关，即电导率越大，载流子引起的宏观电流越大，有利于电磁能转变为热能； 如碳化硅、石墨等属于电阻型。二是介电损耗，与电极化有关，通过介质反复 极化产生的“摩擦”作用将电磁能转化为热能消耗掉。电介质极化过程有电子 第1 章绪论 云位移极化、离子位移极化、极性介质电矩转向极化、铁电体电畴转向极化及 畴壁位移等；如钛酸钡、多晶铁纤维等。三是磁损耗，与动态磁化过程有关， 其主要来源是磁滞、磁畴转向及磁畴自然共振等。如铁氧体、k a n t h a l 合金、 f e s i a l 合金等。适合用于直线加速器同轴负载的微波吸收材料，不仅要在 2 8 5 6 m h z 具有大的损耗，由于其加速腔的工作状态为超真空，所以还要具有低 放气率、真空性好等特点。 按成型工艺和承载能力可分为涂敷型和结构型。涂敷型吸波材料是将吸收 剂和粘接剂混合后涂敷于目标表面，形成吸波层：而结构型吸波材料是将吸收 剂分散在由特种纤维增强结构材料中所形成的结构复合材料。 吸波材料通常有两种结构形式：一是薄膜结构，一是体积结构，即薄膜衰 减器和体积衰减器。薄膜衰减器一般是结构中喷涂、真空蒸发、溅射的一层磁 性物质，例如康坦尔( k a n t h a l ) 合金、羟基铁粉等，或者在介质夹持杆上裂化、 喷涂一层电阻物质，例如碳、石墨等。在薄膜衰减材料中又可分为非金属薄膜 衰减如碳膜、硅膜等和金属衰减如k a n t h a l 合金、羟基铁、碳化钨、钽铝合金 等。在体衰减材料中，也可分为金属陶瓷、碳化硅、二氧化钛和渗碳多孔陶瓷 等。 1 2 1铁氧体 目前，研究较为集中的吸波材料主要有铁氧体、陶瓷类碳化硅、纳米吸波 材料、金属软磁材料如k a n t h a l 合金、f e s i a l 材料等。 铁氧体系列的微波吸收材料是研究比较多且相对比较成熟的一类吸波材 料，发展至今各种工艺已经趋于成熟。铁氧体吸收电磁波的机理主要是畴壁共 振和自然共振，由于其电阻率较高( 1 0 81 0 1 2 q t i n ) ，且在高频时具有较高的磁 导率，电磁波容易进入并快速衰减。铁氧体材料具有良好的频率特性，其相对 磁导率大，且相对介电常数较小，适合做匹配层。但是铁氧体材料由于s n o k e 极限f 1 3 1 的限制，吸收准微波波段的杂波时，体积太大，频带吸收不够宽，难 以做成复杂形状，难以适应发展越来越快的工业需求。并且，铁氧体内部含有 游离态氧，高温下会放出氧气，经过高温除气后，仍有相当的放气量和较高的 放气率。由于铁氧体真空性能差，所以不适合用做同轴负载吸波材料。 1 2 2 陶瓷类碳化硅 碳化硅吸波材料的应用形式以s i c 纤维为主。s i c 纤维不仅吸波特性好， 而且具有强度大、韧性好、相对密度小、电阻率高和高温抗氧化等优异的性能， 但是通常的s i c 纤维的电阻率在1 0 6 q c r n 范围内变化，不能直接作为吸波材料， 必须对其进行改性处理，降低其电阻率或调整其磁导率，提高其电磁损耗。对 第1 章绪论 s i c 纤维的改性方法大致分为两种，其一是在纤维的制备过程中改变原材料组 成并适当选择工艺条件，从而提高成品纤维的电磁性能；其二是对成品纤维进 行适当的后续处理。目前国内外制备吸波s i c 的方法主要有对s i c 进行高温处 理或掺杂异性元素，也有通过改变纤维界面形状达到改善电磁性能的。研究表 明，一般改性后s i c 纤维在8 1 8 g h z 范围内表现出良好的吸波性能，而在 1 - 3 g h z 低频范围内，吸波效果并不好，难以满足在2 8 5 6 m h z 下吸收1 0 k w 高 功率这一要求。 1 2 3 纳米吸波材料 纳米材料是指颗粒尺寸为纳米量级的超细微粉，它是由数目较少的原子或 分子组成的原子或分子团簇，粒径在1 1 0 0 n m 之间。由于纳米颗粒自身尺寸小、 比表面积大，表面原子比例高，悬挂键增多，界面极化和多重散射成为重要的 吸波机制。纳米材料具有较好的吸波特性，具有频带宽、兼容性好、质量小、 厚度薄等特点，易于满足微波吸收材料“薄、轻、宽、强”的要求，是一种很有 发展前景的前沿吸收电磁波材料。目前，美国已经研制出称作“超黑”的纳米吸 波材料，对雷达的吸收率高达9 9 ；法国科学家研制成功一种宽频吸收涂层， 它由粘结剂和纳米微屑填充材料构成，磁性厚度为3 n m ，绝缘层厚度为5 n m 。 这种多层薄膜叠合而成的夹层结构具有很好的微波磁导率，其磁导率的实部和 虚部在o 1 g h z - 1 0 g h z 宽频带内均大于6 。国内对纳米铁氧体、纳米碳化硅、 碳纳米管等均有研究。但由于材料比较前沿，纳米材料的吸波机制还需要进一 步研究，其制备工艺也需进一步完善。 1 2 4 金属软磁材料 随着电子技术向高频化、小型化方向发展，微波吸收材料也与时俱进，不 仅要具有很高的磁导率，还要求有大的损耗，具体有以下性能指标：高起始磁 导率、高饱和磁化强度、低矫顽力、高电阻等。金属软磁材料一般具有低矫顽 力、高导磁率、高饱和磁化强度，因此比铁氧体更适合高频使用及频带宽化。 f e 是基本的铁磁性元素，由于磁性能优异，储量丰富和成本优势，铁基合金如 坡莫合金( p e r m a l l o y ) 、康泰尔( k a n t h a l ) 合金、铁硅铝( f e s i a i ) 合金等成 了重要的金属软磁材料。 坡莫合金 坡莫合金，即铁镍合金，在弱磁场下具有极高饱和磁化强度和起始磁导率 的铁镍系软磁合金，坡莫合金的软磁性能优异，起始磁导率肛i 为3 7 5 1 2 5 m h m ，最大磁导率m 可达1 2 5 - 3 7 5 m h m ，矫顽力h c 为0 8 a m ，电阻率 p 为6 0 - - 一8 5 1 x q c m 。由于坡莫合金电阻率较低，在1 0 _ 7 q r n 左右，所以导致损 4 第1 章绪论 耗相对较小，为提高电阻率，在f e n i 二元合金中常加入m o 、c r 、c u 等元素。 除f e n i 系合金外，属于坡莫合金的还有铁硅铝合金和非晶态钴基合金。将具 有高磁导率的坡莫合金粉用于吸波材料近年来国内外正式发表的文献报道较 少。 康泰尔合金 康泰尔合金主要由7 3 3 f e ，2 1 c r ，5 7 a 1 组成，俗称k a n t h a l 合金， k a n t h a l 合金是一种耐高温、高温抗氧化的优异的磁性材料，同时具有良好的真 空和微波性能。目前经火焰喷涂制备的涂层已被用于吸收2 5 k w 能量的同轴负 载腔中，结果显示，此合金不仅能吸收电磁波，而且具有良好的热传导性，能 很快将微波吸收的能量传导到冷却系统，同时机械性能优异，能与负载无氧铜 基底紧密机械锁和。k a n t h a l 合金涂层的出气率很低( 1 e i o p a l sc f f ) 。由于 k a n t h a l 合金涂层采用火焰喷涂的制造工艺，其表面粗糙，形如网状，属于一 种多孔材料，延长了表面电流的运行路径有利于能量的损耗，大大提高了其微 波吸收性能。但是此涂层由于受到其趋肤深度的限制，不能吸收高功率( - - 一1 0 k w ) 并且其火焰喷涂的涂层具有不均匀性，其制备工艺受到限制，不宜用作高功率 同轴负载材料。 f e s i a i 材料 f e s i a i 吸波材料属于磁性材料，与坡莫合金一样具有较高的起始磁导率和 饱和磁化强度，但是不同的是，f e s i a ! 材料的电阻率比较高，利于微波吸收。 最大的缺点是质地太脆，不易于冷加工，在很长一段时间里限制了它的推广应 用，后来随着高密度磁记录和视频磁记录技术的发展需要，这种合金受到广泛 关注，制备技术有很大发展，改了了合金的耐蚀性和其他性能。f e s i a l 的磁性 来源于铁磁性电子间的交换耦合作用，饱和感应强度高过于铁氧体，同时具有 磁导率高的特性，有利于微波吸收。目前俄罗斯和中科院电子所在生产的大功 率微波电真空器件中大量采用了这种f e s i a i 薄膜微波吸收材料。 1 3 吸波材料机理 影响吸波材料吸波性能的关键因素就是材料的电磁参数，电磁参数包括复 介电常数和复磁导率。欲获得好的吸波性能，要求材料在微波频段具有较高的 复介电常数和复磁导率【1 4 】。 1 3 1复数介电常数 复介电常数是表征吸波材料电磁属性的基本参数之一，是评价吸波材料性 能的主要依据之一。对复介电常数物理意义的理解有助于深入探讨材料吸波机 理。 第1 章绪论 电介质的特征以正负电荷中一t l , 不重合的电极化方式传递、存储或记录电的 作用的影响，电极化的基本过程包括：( 1 ) 分子中正负离子的相对位移极化； ( 2 ) 原子核外电子云的畸变；( 3 ) 分子固有电矩的转向极化。在外界电场作用 下，介质的的相对介电常数是综合反映电极化过程一个宏观物理量，极化的建 立都会影响到频率，因此介电常数是频率的响应函数。 在静电场中，当介质发生极化时，单位体积内分子电矩矢量和称为电极化 强度，用p 表示，对各向同性的介质，电极化强度与外场场强f 有如下关系： 尸池o e ( 1 1 ) 式中，池为极化率，是一标量常数，印是真空介电常数，等于 8 8 5 x 1 0 m c 2 n - 1 m 一。而电位移矢量d 可表示为 d = e o e + 尸= ( j + 缸) e o e = 心o e ( 1 2 ) 式中，矗即通常所说的相对介电常数，简称介电常数。 当外场为交变场时，随着外场频率的增加，介质的极化会逐渐落后于外场 的变化，这时介电常数就不能再用一个简单的实数来表示。介电常数变成复数 r = 3 - j ” ( 1 3 ) 即实部为静态场中相对介电常数，代表储存电荷或储存能量的能力；而介 电常数的虚部相当于一个等效电阻，代表着对能量的损耗。 电损耗角的正切t 9 6 。是表征吸波材料电磁特性的又一重要参数，与磁损耗 角形式类似，电损耗角正切定义为： t g ( ；e = s e ( 1 4 ) 电损耗角的正切是频率和温度的函数，电损耗正切与吸波材料的损耗能力 成正比。 1 3 2 复数磁导率 与介电常数一样，复磁导率也是表征吸波材料电磁特性的基本参数之一。 磁介质在外加磁场时也会被磁化，其磁化强度用磁化度m 表示。在静磁场 中，大多数各向同性的磁介质内部任一点的磁化强度m 和该点的磁场强度h 成 正比，比例系数为定值，) c ，l 被称为磁化率，即 胙) i ，i 。h ( 1 5 ) 磁介质中的感应强度b 可以表示为 b = i z o ( m + 日) = g o ( 1 + ) h = k t o l t r h ( 1 6 ) 式中为真空磁导率，z o = 4 n x l 0 一h m ，肼为相对磁导率。 当外加磁场为交变磁场时，由于存在磁滞效应、涡流效应、畴壁共振和自 然共振等，介质磁化状态的改变在时间上落后于外场的变化，需要考虑到磁化 时间效应。当外加交变磁场的振幅为风，角频率为f 0 时，可表示为 h = 矾c o s o a t ( 1 7 ) 6 第l 章绪论 相应的磁感应强度b 也呈周期性变化，当在时间上落后于h 一个相位差6 ， 设其振幅为b m ，那么磁感应强度b 可表示为 b = b 。c o s ( t 一6 ) ( 1 8 ) 在动态磁化过程中，为表示交变场中的b 和m 的关系，引入复数磁导率的 概念，用它来反映b 和m 之间的振幅和相位的关系 = , u - m ” ( 1 9 ) 将b 和h 都用复数表示 稳：he j t( 1 1 0 ) 雪：bp j ( c o t 一万) ( 1 1 1 ) 可以求得复数形式的相对磁导率 一= 者= 彘c c o s s - j - - m 咖回 一。丽2 而 8 1 们 引 所以 “：l c o s 万( 1 1 3 ) ? h m 。者s i n 万 ，4 ， 均匀交变场中铁磁体在单位时间，单位体积内的平均能量损耗为 p = 挣b = ；卜c o s 呶s i n c 卅万，础 ：三国以吃s i n 万 综合以上各式可得： 尸= 昙吐”： ( 1 1 6 ) 由上式得出，由于磁感应强度落后于外场h ，才引起介质对外场能量的消 耗，其磁损耗功率与复磁导率的虚部成正比， 而磁介质内部储存能量的密度为 万= 吾b = 吾巩玩c 。s 万 ( 1 1 7 ) 22 “m 综合式( 1 1 3 ) ，可以得到 万：1 - 4 o , 磁 ( 1 1 8 ) 万5 爿j ： ll l 芍 第1 章绪论 可见，交变磁场中磁介质内储存的能量密度与磁导率实部成正比，而能量 的损耗由吸波材料的复数磁导率的虚部决定。 磁损耗角正切彬4 也是表征吸波材料电磁特性的重要参数之一，在工程应 用中比较广泛。由于介质磁导率的虚部与磁损耗相对应，对于介质的磁损耗， 工程上常用磁介质的磁导率的虚部与实部比值来描述。 t 9 6 f l l f l l ： 0 、1 9 ) 磁损耗角正切值越大，吸波材料的损耗能力越强。 1 3 3 吸波材料电磁参数的匹配与作用机理 材料吸收电磁波的两个基本条件：电磁波入射到材料上时，它能最大限 度地进人材料内部，即要求材料具有匹配特性。进人材料内的电磁波能迅速 地几乎全部衰减掉，即要求材料具有衰减特性。 矿 ， 占占 无 电磁波 ，氧 ” 铜 ，。 基 d 体 材料涂层 介电常数的实部和虚部 磁导率的实部和虚部 吸波材料涂层的厚度 图1 1微波吸收材料结构示意图 第一个条件：匹配特性，即零反射 材料吸收电磁波的能力常用反射率表示，与吸波材料的厚度、磁导率和介 电常数等参数有关，单层吸波材料( 含导电衬底) 的反射率尺是介电常数和磁 导率、工作频率厂和材料厚度d 的函数，其关系可表示为 r ：l 坐垫幽丑l l z t a n h ( j k d ) + 气l 铲溉 ( 1 - 2 0 ) ( 1 2 1 ) ( 1 2 2 ) 七= 2 万厂5 再j 酾万两 2 3 ， 式中r 为反射系数；k 为传播常数；z 为波阻抗；z o 为真空波阻抗；和0 分 第1 章绪论 别为真空磁导率和介电常数；t a n h 为双曲正切函数 欲使r = 0 ，应有z = z o ，进而可以推导出：= “和”= 斗” 第二个条件：衰减特性 衰减特性是指进入材料内部的电磁波因损耗而迅速地被吸收。损耗大小可 以由电损耗因子和磁损耗因子来表征。即：磁损耗角吼叫仫和电损耗角 t 9 6 e = e e 仅称为衰减常数，它表示电磁波传播单位距离的衰减程度，因而它是反应 材料对微波起衰减作用的最主要的参数，0 【的解析表达式为【1 5 】 口= 詈厩 心喀忱+ 厅万面再面瓦) ( 1 2 4 ， 通过以上两个条件的分析，可以看出两个条件相辅相承，并不是介电常数、 磁导率越大越好，两个条件要相互耦合。 1 4f e sial 合金优异性 目前国内外研究的f e s i a i 合金的成分配比基本都是围绕s e n d u s t ( 仙达斯 特) 合金的成分配比5 4 a 1 、9 6 s i 、其余为f e 。这种合金是在日本仙台发明， 称为仙达斯特合金，“s e l l ”是仙台的英文名称s e n d a i 的缩写，“d u s t ”在英语中是 粉末的意思，表示这种合金非常脆，很容易碎成粉末。这种合金比k a n t h a l 合金 有较大的衰减量和更好的稳定性。 俄罗斯在大功率微波器件生产中经常采用的f e s i a i 微波吸收涂层这种新型 涂层，该材料的供货形式为粉末，其工艺流程为涂敷衰减粉一烘干一氢炉烧结， 烧结后f e s i a i 涂层厚度在1 0 0 4 0 0 i t m 之间，据报道此材料具有良好的吸波性 能。国内中国科学院电子学研究所张永清老师对f e s i a i 合金也颇有研究，研制 出一种新型f e s i a i 涂层己成功运用于大功率真空器件速调管中，目前运转正常。 该涂层具有以下优点： 1 在很宽的频带内，具有很好的衰减性。 2 材料中不含低熔点物质和易挥发物质，材料比较致密，有助于保持工作环 境的真空度 3 涂层材料与基体采取涂敷加烧结的连接方式，可迅速将所吸收的热能传导 到管外，满足大功率器件衰减材料的散热要求 4 涂层高温化学稳定性好，制备工艺简单，易于控制。 结合直线加速器同轴负载吸波材料要求：低放气率、真空性好，吸波效果 好等特性，针对中国科学院电子学研究所张永清老师特制的f e s i a i 烧结材料， 对其微结构、热性能以及电磁学等特性展开全面研究，以期为设计同轴负载提 9 第1 章绪论 供可靠数据。 1 5 本文主要研究内容 f e s i a i 合金涂层作为一种具有实际应用价值的吸波材料，被作为直线加速 器同轴负载吸波材料的可选材料，必须对其材料性质做深入了解。研究f e s i a i 涂层的结构、真空性、热学性质以及电磁学特性是本课题的重点研究对象。主 要研究内容包括： 1 f e s i a i 的物性研究，包括对其进行形貌、相组成、孔隙率和密度研究以及 真空放气率的测量。 2 f e s i a i 的热学参数实验研究，为计算敷有涂层的同轴负载热变形提供可靠 参数。 3 f e s i a i 电磁学参数研究，评价其微波吸收能力 论文内容安排如下： 第一章：绪论。介绍同轴负载吸波材料在直线加速器中的应用和意义；目 前微波吸收材料的研究现状；微波吸收机理以及f e s i a i 涂层的优异性。 第二章：f e s i a i 合金的物性研究。对f e s i a l 涂层进行了微结构分析、孑l 隙 率、密度以及真空放气率的测量。 第三章f e s i a i 涂层的热学参数实验研究，对f e s i a i 的热膨胀系数、比热 容以及导热系数的实验测量。 第四章电磁参数测试方法及测试系统的搭建，主要介绍本课题所采用的传 输反射法的理论以及测试系统的搭建过程。 第五章f e s i a i 电磁参数测试。通过测量空气和聚四氟乙烯的电磁参数对系 统进行验证，同时提出间隙的存在对电磁参数测试结果的影响，为了消除间隙 对f e s i a i 电磁参数测试的影响，本文提出了一种测试f e s i a i 石蜡混合样品测 试方法，并通过混合煤质方程推导出f e s i a i 微粉的电磁参数的方法。 第恕章总结和展望。对全文总结，并对以后工作提出努力方向。 鳞碑汕l 仑拿电鲁年夙切争l 渡， 1 0 第2 章f e s i a i 合金的物性研究 第2 章f e s i a i 合金的物性研究 21 微观形貌及x r d 分析 21i 微观形貌( s e m ) 本文采用x l 3 0e s e m t m p 环境扫描电镜对f e s i a i 涂层微观形貌进千观察。 扫描电镜s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e 的工作原理简述如下： 从电子枪阴极笈出电子柬，由于受到阴阳极之间加速电压的作用，射向镜简， 经过聚光镜及物镜的会聚成直径约几毫米的具有一定能量和强度的电子探针。人 射电子束在样品表面作光栅扫描并且激发出二次电子，这些电子信号被相应的检 测器检测，经过放大、转换，变成电压信号，最后被送到显像管的栅极上且调制 显像管亮度。显像管中的电子柬在荧光屏上也作光栅状扫描，并且这种扫描运动 样品表面的电子束的扫描运动严格同步，这样即获得衬度与所接收信号强度相 对应的扫描电子像，这种图像反映了样品表面的形貌特征。 1 i f 1ee e t 圈2 if e s i a l 表面形貌 由图2 i 可以得出珐f e s i a i 涂层主要由3 0 u m 以下的颗粒组成其中类似 圆形光滑颗粒主要成分是铁，图中片状颗粒含f e 、s i 、川三种元素。分析认为 该涂层不导电的原因就是这些不导电的片状颗粒蒋游离态的f e 隔开，是该馀层 电阻率大，几乎绝缘的原因。 对其进行的成分线扫描结果如图2 2 所示。 第2 章f e s i a i 台金的物性研究 圉2 2f e s i a i 成分线扣拙 舭 第2 章f e s i a i 合金的物性研究 。血lih “i - i 止- 图2 , 3 成分线扫描圈谱 注释：圈2 3 是对圈2 2 成分线扫描的分析图，自上而下依次是f e 谱线、a l 谱线、s i 谱线、n l 谱线和氧元素谱线。 由图2 3 可知，f e 峰值在i5 0 0 以上 左右，而峰值和o 峰值都在1 0 0 以下 a l 峰值在1 0 0 0 左右，s j 峰值在4 0 0 其中o 在2 0 左右。之所以含有少量 第2 章f e s i a i 合金的物性研究 氧元素，是因为材料在经氢炉烧结还原处理后，做了表面氧化处理。根据仪器软 件测得f e s i a l 相对成分为：7 4 f e 、2 2 a ! 、4 s i 。和理化中心的x 射线荧光 ( x r f ) 测得实验结果是f e7 7 3 7 ，a 11 8 2 9 ，s i 2 6 3 ，n i 0 9 0 。两者差 别不大。 2 1 2x 射线衍射 为了进一步了解该材料的相组成，对f e s i a i 涂层通过x 射线衍射进行分析。 本实验采用m x p a h f 型l8 k w 转靶x 射线衍射仪，简称x r d ，该仪器采用c u k a 辐射( 持1 5 4 0 6 a ) ，加速功率是1 8 k w ，管电流是4 0 0 m a 。当x 射线束照射到 样品上时，由于样品中原子排列的规则性，各原子散射波互相干涉时，将会在某 些方向互相加强，而在另一些方向上互相抵消，合成波的强度随方向而变。每一 种物质都有其特有的结构参数，包括点阵类型、晶胞大小，这些结构参数在x 射线的衍射图谱上均有所反映。根据x r d 图谱使用的j a d e 数据分析，可以计算 平均晶粒尺寸和晶格常数。图2 4 即为f e s i a i 合金涂层的x 射线衍射图谱， 彷 8 。丽 c 芒 图2 4f e s i a l 合金涂层的x 射线衍射图谱 从x r d 图谱中，可以看出，没有出现s i 和a l 的衍射峰，说明此样品中的 s i 、a l 原子已完全固溶于f e 的晶体点阵中。通过衍射实验分析可得，样品有两 相，一相为卜f e ( s i ，a i ) ，o 【一f e ( s i ，a i ) 是由f e 、s i 、a i 原子随机占据晶 格中的点阵位置，形成晶体b c c 点阵，属于无序的i m 3 m 空间点阵群，如图2 5 ( a ) 所示；另一相f e 3 a i ( s i ) 。是一种d 0 3 化合物相，由八个体心单元构成， s i 和a l 占据位于对角位置上的4 个b c c 单胞的体心位置而成，是一种超点阵结 构，属于有序的f m 3 m 空间点阵群，如图2 5 ( b ) 所示。 1 4 第2 章f e s i a i 合金的物性研究 ( a ) b c c 结构 ( b ) d 0 3 结构为a 1 或s i 原子 图2 5f e s i a l 中两种不同的相结构 f e 原子的晶格常数是2 8 6 6a ，f e s i a i 合金粉中，b b c 结构a f e 晶格常数 1 4 2 2 7 x 4 = 2 8 6 4 5a ，a f e 衍射线宽化，晶粒尺寸减小，说明s i 、a l 进入f e 晶格引起晶格常数的变化。由于f e 原子半径为0 1 2 4 n m ，s i 原子半径为0 1 1 8 n m ， a l 原子半径为0 1 4 3 n m 。s i 原子替换f e 原子后虽然使晶格常数减小，但a l 原子 的替换又部分抵消了晶格常数的减小作用，所以晶粒尺寸变化不大，由此进一步 印证了合金粉其中一相为弘_ f e ( s i ，a i ) 固溶体的正确性。另一相d 0 3 超结 构f e 3 a i ( s i ) 的晶格常数为1 4 3 6 0 4 = 5 7 4 4a 。据报道，d 0 3 超晶格的形成有 效降低了f e s i a l 合金的磁晶异向常数，这种结构的存在